JP3166396B2 - インクジェット記録装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、電気信号によって圧力
発生素子に圧力が発生し、この圧力によってインク滴を
飛翔させ、記録紙等の被記録材上にインク像を形成する
プリンタ等の画像記録装置に関し、更に詳細にはインク
ジェット記録装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】インクジェット記録装置は、ノンインパ
クトで低騒音、多色インクの使用によりカラー出力も可
能といった特徴を有し、近年急速に普及している。この
インクジェット記録装置は、各々印画、印字に適した記
録特性、例えば吸湿性やにじみ性を持つ用紙やＯＨＰシ
ートを推奨する被記録材として指定しており、それ以外
の被記録材には、品質が異なるといった課題を有してい
た。例えば、ＰＰＣ用紙でも再生紙はにじみ易くドット
径も大きくなる、又専用紙でも表面に塗工されたコート
材の種類によってドット径は異なる、更にＯＨＰシート
はにじみにくく、ドット径が小さくなる等の傾向があっ
た。

【０００３】上記課題に対して、例えば特開昭５７−１
３８９５０号公報では、被記録材の記録特性に応じて、
印加電圧を制御することでノズル径を制御し、インク吐
出量を制御するといった技術が考案されている。また、
特開平２−３３２７号公報及び特開平４−３３４７０号
公報では、被記録材のにじみ率を検知する手段または、
被記録材の種類を識別する手段を有し、検知及び識別結
果によって補正パラメータの変更を行い、カラー出力時
のマスキング係数を切り換える技術が考案されている。
また、特開平３−２４８８５１号公報では、被記録材の
種類に応じてインクジェットヘッドと被記録材のギャッ
プを変化させ、インク滴の被記録材に付着する時の速度
を制御することでドット径を制御するといった技術が考
案されている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、特開昭
５７−１３８９５０号公報に開示される技術では、イン
ク吐出量を制御するために、複数の制御電源を用いる、
又は増幅回路を構成する必要がありコストアップにつな
がる、或は制御数に限界があるといった課題を有してい
た。更に印加電圧を制御しノズル径を変動した場合、イ
ンク吐出量と共に吐出速度も変動するため、例えば双方
行駆動時に印字品質に影響を及ぼすといった課題も有し
ていた。また、特開平２−３３２７号公報及び特開平４
−３３４７０号公報に開示される技術では、ドット径で
の制御が不可能なために特に低濃度部分に於いて吸湿性
やにじみ性に対して完全に対応できない、更には単色印
字等への適用が出来ないといった課題を有していた。特
開平３−２４８８５１号公報に開示される技術では、ギ
ャップを大きくすることで付着時の速度は低下するもの
の、インク滴の飛翔安定性が低下する、或は被記録材へ
の記録位置精度が低下する等といった課題がある。

【０００５】本発明はこうした課題を解決するもので、
その目的は複数の電源等を用いる事なく、低コストで一
定のインク吐出速度を維持しながらインク吐出量を制御
するものであり、それによって被記録材の記録特性に合
致したドット径が得られ、如何なる被記録材にも優れた
品質で印画、印字可能なインクジェット記録装置を提供
するものである。

【０００６】

【課題を解決するための手段】本発明のインクジェット
ヘッド記録装置は、インクを吐出するノズルと、これに
連通する圧力室と、前記圧力室に圧力を発生させる圧力
発生素子と、前記圧力発生素子に電圧を印加する電圧印
加手段を有するインクジェットヘッドを用いるインクジ
ェット記録装置に於て、前記圧力室の容積を拡大してイ
ンクを圧力室に充填する第１の段階と、前記圧力室の容
積を収縮してインクを吐出する第２の段階を有し、被記
録材の被記録材の記録特性に応じて、前記第１の段階に
おける圧力室の容積拡大速度を任意に可変させることを
特徴とする。

【０００７】また、前記電圧印加手段が定電圧であっ
て、前記被記録材の記録特性に応じて、前記圧力発生素
子を駆動する電圧印加電圧の立ち下がり時間或は、立ち
上がり時間を可変することによって前記第１の段階にお
ける圧力室の容積拡大速度を変化させる手段を有するこ
とを特徴とする。

【０００８】

【作用】本発明のインクジェット記録装置は、印加電圧
を変化させずに、インク吐出速度を変化させることな
く、インク吐出量だけを自在に可変することによって、
被記録材の記録特性に合致したドット径が得られ、如何
なる被記録材にも優れた品質での印画、印字可能なイン
クジェット記録装置を低コストで提供できる。

【０００９】

【実施例】以下に本発明の実施例の詳細を図面を参照し
て説明する。

【００１０】まず、印加電圧を変化させずに、インク吐
出速度を一定に保ちながら、インク吐出量だけを自在に
可変する駆動実施例について説明する。

【００１１】図１は、本発明の実施例を示すインクジェ
ットヘッドの構造説明図である。

【００１２】図１に示す２は、複数のノズル１を形成し
たノズル形成基板である。ノズル１の開口面積とノズル
形成基板２の厚さは、インク吐出特性に大きな影響を及
ぼす。ノズル１の形成方法としては精密プレス法、ニッ
ケルの電鋳法、または、シリコンウエハのエッチング加
工等が挙げられ高精度に形成することができる。このノ
ズル形成基板２と貼り合わされる流路基板３は、圧力室
４、セグメントインク供給路５、共通インク室６、及び
インク供給パイプ７の連通口を形成して成る部材であ
る。流路基板３がノズル形成基板２と貼り合わされる際
は、吐出効率を高めるためにノズル１が圧力室４の中央
部に位置するように接合する必要がある。こうして形成
される圧力室４、セグメントインク供給路５、共通イン
ク室６には、インクが満たされる。

【００１３】流路基板３の底面には、ベース基板８上に
配列される圧力発生素子１０が、それぞれの圧力室４に
対応して接合される。図１に示す、圧力発生素子１０
に、駆動回路２７からのセグメント信号２５と、共通信
号２６が印加されると、圧力室４の容積が減少し圧力が
高められ、ノズル１からインクを吐出する。

【００１４】図２（ａ）及び（ｂ）はインクジェットヘ
ッドを駆動する電圧波形と圧力発生素子の変位挙動を示
す関係図である。

【００１５】図３（ａ）は圧力室の容積が収縮している
状態、（ｂ）は圧力室の容積が拡大している状態を示す
説明図である。ノズル１にはインクの表面張力によって
メニスカス１７が形成されている。圧力発生素子１０
は、電圧が印加されると、図３（ａ）に示すように矢印
δの変位方向に膨張し、圧力室の容積を収縮させ、一方
電圧が印加されていない状態では図３（ｂ）に示すよう
に定常状態になり、圧力室の容積を相対的に拡大させ
る。

【００１６】図２（ａ）に於て、電圧波形２１の立ち下
がり（放電）時間Ｔ１と、立ち上がり（充電）時間Ｔ２
が、圧力発生素子の固有振動周期Ｔａより小さい場合、
圧力発生素子１０の変位挙動２２は、過度的な振動挙動
を示す。このような場合、圧力室４内に残留振動が発生
し、図３に示すメニスカス１７が振動することによって
インクの吐出が不安定になってしまう。しかしながら、
図２（ｂ）に示すように、圧力発生素子１０に印加され
る電圧波形２１の立ち下がり時間Ｔ１と、立ち上がり時
間Ｔ２を、圧力発生素子１０の固有振動周期Ｔａより大
きく設定することによって、圧力発生素子１０は過度的
な振動挙動を示さなくなるので、圧力室４、及びメニス
カス１７も残留振動を発生しなくなり、インクの吐出を
安定的に維持することができる。

【００１７】図３に示した圧力発生素子１０とは逆に、
電圧が印加されることによって収縮し、圧力室４の容積
を拡大させ、一方電圧が印加されていない状態では定常
状態になり、圧力室４の容積を相対的に収縮する特性を
有する圧力発生素子１０を用いた場合は、図２に示す電
圧波形２１と変位挙動２２は上下に反転するが、本質的
なＴ１、Ｔ２とＴａの関係は同様であり、Ｔ１、Ｔ２≧
Ｔａの関係を有することによってインクの吐出を安定的
に維持することができる。

【００１８】尚、圧力発生素子１０の固有振動周期Ｔａ
は、式１のように示される。

【００１９】

【数１】

【００２０】ここで、Ｌは図３に示す圧力発生素子１０
の変位方向の長さ、ρは圧力発生素子１０の密度、Ｅは
圧力発生素子１０のヤング率、λは振動モードによって
異なる圧力発生素子１０の振動数係数であり、図３に示
すように一端固定の縦振動を用いた圧力発生素子１０に
於ては1.875である。

【００２１】このように、Ｔａは圧力発生素子１０の形
状と物理定数から比較的容易に決定でき、Ｔ１、Ｔ２
も、Ｔａに対して大きくとることで安定したインクの吐
出が可能となる。

【００２２】図４は本発明のインクジェット記録装置の
駆動に際しての電圧波形２１と圧力室内の容積変化挙動
２３、及びメニスカスレベル２４の挙動を示す関係図で
ある。

【００２３】図５は、本発明の実施例を説明するインク
ジェットヘッドの部分拡大図である。図５に於て図１及
び図３に示される圧力発生素子１０は、より具体的な積
層圧電素子２０として示されている。この積層圧電素子
２０は、セグメント電極１５と圧電材料層１３と共通電
極１６によって構成され、電圧を印加することで積層方
向に膨張し（ｄ33効果）、積層方向と直行方向に収縮す
る（ｄ31効果）特性を有している。

【００２４】以下に図４及び図５を参照して、ｄ33効果
を用いたインクジェット記録装置の基本駆動方法を説明
する。

【００２５】時間ｔ0〜ｔ1は定常状態である。図４に示
されるように、この状態において、電圧レベルはＶhに
あるので、図５に示す積層圧電素子２０は、破線Ａに示
すような変形挙動を示しており、圧力室４の容積変化２
３は、相対的に圧力室４の容積が収縮した状態であるＣ
0のレベルにある。また、図４に示すメニスカスレベル
２４はインクの表面張力によって保持される定常レベル
Ｍ0に維持されている。

【００２６】時間ｔ1〜ｔ2は、本インクジェット記録装
置の駆動方法の第１の工程である。図４に示すようにこ
の状態において、電圧波形２１はＶLに示すレベルまで
立ち下がり時間Ｔ１で放電され、圧力室４の容積変化２
３はＣ1のレベルまで変化し、圧力室４の容積を拡大
し、圧力室４内の圧力を減圧する。この時、メニスカス
１７は圧力室４内部方向へ、図４に示すメニスカスレベ
ル２４はＭ1に示すレベルまで引き込まれる。

【００２７】時間ｔ2〜ｔ3は本インクジェット記録装置
の駆動方法の第２の工程である。図４に示されるよう
に、この状態において、電圧波形２１はＶLに示すレベ
ルに維持されるので、圧力室４の容積変化２３も圧力室
の容積を拡大した状態であるＣ1のレベルに維持され
る。この時、圧力室４内にはノズル１方向に向かうイン
クの慣性流れが発生し、メニスカス１７は定常レベルＭ
0に戻ろうとする。

【００２８】時間ｔ3〜ｔ4は本インクジェット記録装置
の駆動方法の第３の工程である。図４に示されるよう
に、この状態において、電圧波形２１は再びＶhに示す
レベルまで、立ち上がり時間Ｔ２で充電され、圧力室４
の容積変化２３をＣ0のレベルまで変化させ、圧力室４
の容積を収縮し、圧力室４内を加圧するので、メニスカ
ス１７はインク吐出方向へ強く押し出され、インク滴が
飛翔する。この時のインク吐出量は、ほぼ図４に示す斜
線部Ｓの面積に相当する。

【００２９】以上のように、時間ｔ1〜ｔ4の３工程によ
って本インクジェット記録装置の基本駆動方法は構成さ
れている。

【００３０】しかしながら、第１の工程と第３の工程に
おいて、図４の破線３１に示されるように、電圧波形の
立ち下がり時間Ｔ１と立ち上がり時間Ｔ２が圧力室に満
たされるインクの固有振動周期Ｔｃより小さい場合は、
破線３３に示す圧力室４の体積変化のように振動的な挙
動を発生し、破線３４に示すようなメニスカスレベルの
乱れが発生しインク吐出を不安定にする要因となる。す
なわち、図４に示す電圧波形２１の様に、Ｔ１、Ｔ２≧
Ｔｃの関係を有する場合は、インクの吐出を安定的に維
持し、高印字品質を実現することができる。

【００３１】また、ｄ31効果を用いたインクジェットヘ
ッドの駆動方法については、図４に示す電圧波形２１の
み上下に反転するが、本質的なＴ１、Ｔ２とＴｃの関係
はｄ33効果を用いた場合と同様であり、Ｔ１、Ｔ２≧Ｔ
ｃの関係を有することによって高印字品質を実現するこ
とが可能である。

【００３２】圧力室４に満たされるインクの固有振動周
期Ｔｃは、式２のように示される。

【００３３】

【数２】

【００３４】ここで、Ｍｎはノズル１のイナータンス、
Ｍｉはインク供給路のイナータンス、Ｃｉはインクのコ
ンプライアンス、Ｃｃは圧力室４のコンプライアンスで
ある。

【００３５】また、Ｍｎ、Ｍｉ、Ｃｉ、Ｃｃは以下のよ
うに式３から式６によって定義されている。

【００３６】

【数３】

【００３７】ここで、ρはインクの密度、Ｓ(x)は図５
に示すノズル形成基板２の厚さＸに於けるノズルの断面
積、ｋはノズル形状によって決定される非定常解を考慮
した比例定数である。

【００３８】

【数４】

【００３９】ここで、ρはインクの密度、Ｓ(l)は図５
に示すインク供給路長さｌに於ける供給路の断面積、ｋ
は供給路形状によって決定される非定常解を考慮した比
例定数、ｎはノズルに対する供給路の数（本実施例にお
いては２）である。

【００４０】

【数５】

【００４１】ここで、ｖは圧力室４の体積、ρはインク
の密度、ｃはインクの音速である。

【００４２】

【数６】

【００４３】ここで、ΔＶは単位圧力あたりの圧力室の
変形体積、Ｐ0は単位圧力である。

【００４４】このように決定されるインクの固有振動周
期Ｔｃが小さい程、インクの吐出間隔を狭めることで、
高速印字が可能となる。

【００４５】また、図５に示すベース基板８は、剛体で
あることが理想であり、具体的には音響インピーダンス
（ヤング率×比重）が大きいことが望ましい。よって、
図５に示すように、積層圧電素子２０の一端が、積層圧
電素子２０のヤング率と比重に対して同等以上のヤング
率と比重を有するベース基板８に保持することによっ
て、圧力室４に対して効率よく圧力を伝達することがで
きる。

【００４６】図６は、本発明の実施例によるインクジェ
ット記録装置の駆動方法を説明する立ち下がり時間（放
電時間）Ｔ１に対するインク吐出速度５０とインク吐出
量６０の特性図である。

【００４７】 図７は、本発明の実施例によるインクジ
ェット記録装置の駆動方法を説明する立ち下がり時間
（放電時間）Ｔ１に対するインク滴の飛翔形態を示すモ
デル図である。尚、この図は積層圧電素子２０に電圧が
印加されてから一定の時間が経過した状態を示してい
る。

【００４８】立ち下がり時間（放電時間）Ｔ１は最低Ｔ
ａより、大きい事が前提であるが、図６に示す領域Ｉの
ようにＴ１だけを可変することによってインク吐出速度
５０を変化させることなくインク吐出量６０だけを変化
させることができる。

【００４９】具体的には図７に示すように立ち下がり時
間Ｔ１が、８（μｓ）〜２０（μｓ）まで変化し、圧力
室４の拡大速度を変化させることによって、インク吐出
速度５０を変化させることなくインク吐出量だけを増減
させることができる。インク吐出速度５０は、むしろ圧
力室４の容積収縮速度に相関があり、圧力室４の容積拡
大速度は圧力室４へインクを供給する量（慣性流れ量）
に相関があることが実験で確認されている。被記録材上
に転写されるドット径はインク吐出量の３乗根に比例す
ると仮定すれば、例えばインク量を８倍変化させること
によって、ドット径を２倍変化させることができる。本
発明のインクジェット記録装置の特徴はこうした現象を
積極的に利用して、駆動回路が発生する印加電圧を変え
ることなく、インク吐出量を制御するものである。

【００５０】次に被記録材の記録特性を把握する手段に
ついて説明する。手段としては、例えば像形成に先立っ
て被記録材の画像記録領域外に孤立ドットのテストプリ
ントを行い、そのドット径を装置内に設けた発行素子で
照明し、ＣＣＤセンサ等の受光素子アレイで測定するこ
とで対応が可能である。

【００５１】また例えば被記録材を記録装置に補充し、
記録を行う前の時点で、図８（ａ）〜（ｃ）に示すよう
に、先に説明した駆動方法によりベタパターンをドット
径の異なるように複数パターン印画させ、適切なドット
径となる条件を使用者に設定させる事でも対応が可能で
ある。具体的には、記録装置の解像度当りの単位長さＹ
に対して、（ａ）の様にドット径２８が小さい場合は、
ベタパターンでの被覆不良が発生し好ましくない。ま
た、（ｃ）の様にドット径２８が大きすぎる場合は、特
にベタパターンでのインク乾燥不良や文字等での太りに
よる品質不良につながる。概ね（ｂ）の状態の様に被覆
不良が無くなった状態が好ましい。

【００５２】また更には記録装置内に予め各被記録材に
適したドット径となるような条件を記録させ、使用者が
設定することでの対応も可能である。

【００５３】図９は、本発明の実施例によるインクジェ
ット記録装置を説明する駆動回路の部分説明図である。
Ｔｒ１からＴｒ３は立ち下がり時間（放電時間）Ｔ１の
大きさを制御するトランジスタである。Ｔｒ０がＯＮで
あり、Ｔｒ１からＴｒ４がすべてＯＦＦであれば、電流
Ｉc1が流れ、積層圧電素子２０に電流が流れる。この
時、抵抗素子Ｒ0と積層圧電素子２０の静電容量値によ
って決定される立ち上がり時間（充電時間）Ｔ２にて積
層圧電素子２０に、電荷が充電される。その後、Ｔｒ０
がＯＦＦになり、Ｔｒ１からＴｒ４のいずれかがＯＮに
なると、電流Ｉc2が流れて、積層圧電素子２０に充電さ
れた電荷が放電される。Ｔｒ１〜Ｔｒ４のＯＮ、ＯＦＦ
制御は先に説明した被記録材の記録特性結果によって、
圧力室容積拡大速度可変回路２９によって決定される。
具体的にＲ１からＲ４が同じ特性の抵抗素子であり、Ｔ
ｒ１だけがＯＮで、Ｔｒ２、Ｔｒ３、Ｔｒ４がＯＦＦの
ときの立ち下がり時間Ｔ１を４とすると、Ｔｒ１とＴｒ
２だけをＯＮにすれば、立ち下がり時間Ｔ１は２にな
り、Ｔｒ１からＴｒ４をすべてＯＮにすれば立ち下がり
時間Ｔ１は１になる。こうした駆動回路によって、立ち
下がり時間Ｔ１を容易に設定することができる。

【００５４】以上にわたり、被記録材の記録特性に応じ
て圧力室の容積拡大速度を任意に可変させることで、印
加電圧及びインク吐出速度を変化させることなく、イン
ク吐出量だけを自在に可変させ、被記録材の記録特性に
合致したドット径が得られるインクジェット記録装置に
ついて説明したが、本インクジェット記録装置は単色記
録の他、カラー記録にも適用できる。

【００５５】

【発明の効果】以上説明して明らかな様に本発明のイン
クジェット記録装置は、被記録材の記録特性に応じて前
記第１の段階における圧力室の容積拡大速度を任意に可
変させることで、印加電圧及びインク吐出速度を変化さ
せることなく、インク吐出量だけを自在に可変すること
によって、被記録材の記録特性に合致したドット径が得
られ、如何なる被記録材にも優れた品質での印画、印字
可能なインクジェット記録装置を低コストで提供できる
効果を有するものである。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明のインクジェット記録装置のヘッド要部
を示す構造説明図である。

【図２】本発明のインクジェット記録装置のヘッドを駆
動する電圧波形と圧力発生素子の変位挙動を示す関係図
である。

【図３】本発明のインクジェット記録装置のヘッドに於
て、（ａ）は圧力室の容積が収縮している状態、（ｂ）
は圧力室の容積が拡大している状態を示す説明図であ
る。

【図４】本発明のインクジェット記録装置のヘッドを駆
動する電圧波形と圧力室内の体積変化挙動、及びメニス
カス挙動を示す関係図である。

【図５】本発明の実施例を示すヘッド要部の拡大図であ
る。

【図６】本発明の実施例による第１のインクジェットヘ
ッド駆動方法を説明する立ち下がり時間（放電時間）Ｔ
１に対するインク吐出速度とインク吐出量の特性図であ
る。

【図７】 本発明の実施例による第１のインクジェット
ヘッド駆動方法を説明する立ち下がり時間（放電時間）
Ｔ１に対するインク滴の飛翔形態を示すモデル図であ
る。

【図８】（ａ）から（ｃ）は本発明の実施例におけるド
ット転写状態を説明する概略図である。

【図９】本発明の実施例によるインクジェットヘッド駆
動方法を説明する駆動回路の部分説明図である。

【符号の説明】

１ ノズル ２ ノズル形成基板 ３ 流路基板 ４ 圧力室 ８ ベース基板 １０ 圧力発生素子 ２０ 積層圧電素子

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) B41J 2/045 B41J 2/055 B41J 2/205

Claims (2)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 インクを吐出するノズルと、これに連通
   する圧力室と、前記圧力室に圧力を発生させる圧力発生
   素子と、前記圧力発生素子に電圧を印加する電圧印加手
   段を有するインクジェットヘッドを用いるインクジェッ
   ト記録装置において、 前記圧力室の容積を拡大してインクを圧力室に充填する
   第１の段階と、前記圧力室の容積を収縮してインクを吐
   出する第２の段階を有し、被記録材の記録特性に応じ
   て、前記第１の段階における圧力室の容積拡大速度を任
   意に可変させることを特徴とするインクジェット記録装
   置。
2. 【請求項２】 前記電圧印加手段が定電圧であって、前
   記被記録材の記録特性に応じて、前記圧力発生素子を駆
   動する電圧印加電圧の立ち下がり時間或は、立ち上がり
   時間を可変することによって前記第１の段階における圧
   力室の容積拡大速度を変化させる手段を有することを特
   徴とする請求項１記載のインクジェット記録装置。